CN1672329A - 包含了用于改进转换线性度的装置的数模转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将数字值转换成模拟量的数模转换器，所述转换器包括作为所述数字值的函数来进行切换的电流源，以便产生一个反映所述模拟量的值的输出电流，所述转换器包含了用于产生一个添加到所述输出电流的校正电流的装置，所述校正电流包括一个与所述输出电流平方成比例的分量。用途：数模转换器。

Description

包含了用于改进转换线性度的装置的数模转换器
发明领域
本发明涉及一种用于将数字值转换成模拟量的数模转换器，所述转换器包括依照所述数字值来进行切换的电流源，以便产生一个反映所述模拟量的值的输出电流。
特别地，本发明在带有测温计式或分段式结构的数模转换器中具有很多应用。
发明背景
某些数模转换器的结构是以输出负载中的一定数量的电流源为基础的。例如，在具有测温计式或分段式结构的转换器中，同时切换的电流源数量与所转换的数字输入值是相等的。
图1描述的是一种在数模转换器中使用的用来使电流源I流入输出负载R的已知类型的开关。这个开关由一种差分结构组成，该差分结构包括受一个从要被转换的数字值导出的控制信号Uc控制的双极型晶体管TA和TB。因此，这个开关的功能与由控制信号Uc控制的开关SW是等价的。
在对开关晶体管TA-TB进行切换的时候，有必要对晶体管显现的基区宽度调制效应(Early效应)加以考虑，从而最佳地模拟开关的动态特性。在较低的频率上，基区宽度调制效应是以电阻Rp的形式显现，这个电阻即为通常所说的基区宽度调制电阻(Early电阻)，在晶体管的集电极与发射机之间，它具有一个很高的常数值。在较高的频率上，开关的寄生电容效应(晶体管TA-TB中的结电容、构成开关的部件之间的等价于一个与电流源I并行放置的电容Cp的互连电容)是由一个值会随着频率递减的阻抗显现的。因此，与寄生电容效应相结合的基区宽度调制效应等价与一个具有图2所描述的低通滤波器特性的寄生阻抗Z。并且这个寄生阻抗将会损害数模转换的线性度。
目前已知的解决方案是使用开关电流源来限制数模转换器的非线性度并展示一个基区宽度调制阻抗(Early阻抗)。特别地，在各个电流源与开关晶体管之间可以插入一个共射-共基放大器类型的附加级，以便增加从开关的输入端看到的开关阻抗。
然而，这些用于提高数模转换器的线性度的装置存在着很多限制。
实际上，这种已知的解决方案涉及对与开关一样多的附加电路进行关联。此外，为了向这些附加电路供电，有必要使用一个能够输出很大电流的电源，由此将会增大转换器的尺寸，使之很难集成在集成电路中。
另外，这其中众多的附加电路的寄生效应还会影响到开关的整体机能。
最后，添加众多附加电路还增加了这些数模转换器的成本。
发明目的和概述
本发明的目的是提供一种经济的解决方案，以便对包含开关电流源的数模转换器的非线性度加以改善。
为此目的，本发明的特征在于：该转换器包括用于产生添加到所述输出电流中的校正电流的装置，所述校正电流包含了一个与所述输出电流的平方成比例的分量。
发生装置对从转换器输入端看到的寄生阻抗中的漏泄电流进行补偿，在这里，该寄生阻抗相当于并行放置各个开关的基区宽度调制阻抗。为此，在开关的输出端重新注入了一个校正电流，该电流的幅度与流经寄生阻抗的漏泄电流相等并且方向相反。由于漏泄电流与开关电流源数目的平方成比例，因此较为有利的是从转换器输出电位的平方值中获取校正电流。这样一来，与转换器输出端相连的负载电阻具有由开关电流源传递并流经其本身的总和电流。因此消除了与基区宽度调制电阻相关联的效应，这样则确保了数模转换器的线性度。换句话说，负载电阻端的电压变成与所要转换的数字值成比例。对一个两倍于数字信号频率的频率而言，即在二次谐波上，以分贝为单位的数模转换器的增益将会得到极大的改善。
与现有技术相反，只需一个校正设备来校正各个开关的基区宽度调制电阻的累积效应。因此，这种解决方案在体积上将会很小并且是非常合算的。
漏泄电流的校正考虑了开关电流源的数目，由此转换器的线性度在其整个动态转换范围中都得到了改善。
本发明的特征还在于：转换器包括一个位于所述发生装置上游的差分放大级，所述衰减级则向所述发生装置递送一个与所述模拟量成比例的输出信号。
所述级允许对在转换器输出端重新注入的电流比例进行调整，以便精确地补偿流经寄生阻抗的漏泄电流。并且其微分结构提高了共模抑制率。
本发明的特征还在于：转换器的差分放大级包括一个用于增大作为频率函数的放大因子的电容部件。
这个部署在差分放大级输入端的电容部件允许改变差分放大级的频率增益，以便对作为频率的函数的寄生阻抗的下降加以补偿。这样一来，对较高的频率来说，在转换器输出端重新注入的是一个具有放大率较高的校正电流。由此既在低频又在高频确保了转换器的线性度。
本发明的特征还在于：该转换器还包括一个用于产生所述电流的吉尔伯特单元(Gilbert cell)。
通过选择这种实施方式，可以允许从幅度相对较高的电压信号中产生一个低校正电流。因此，在吉尔伯特单元输出端产生的校正电流可以精确地补偿转换器输出端的漏泄电流，这完全有助于提高数模转换器的线性度。
本发明还涉及一种集成电路，该集成电路包含了具有上述特征的数模转换器。
附图简述
以下将参考附图所示的实施例的例子来对本发明进行描述，但是本发明并不受限于此。
图1描述的是用在数模转换器中的电流源的开关，
图2描述的是作为频率的函数的开关寄生阻抗中的变化，
图3描述的是依照本发明而对使用开关电流源的数模转换器的非线性度进行校正的概述图示，
图4描述的是使用了开关电流源的已知数模转换器的图示，
图5描述的是使用了开关电流源的已知数模转换器的等价图示，
图6描述的是一个依照本发明而对使用了开关电流源的数模转换器的非线性度进行校正的实施例。
优选实施例的描述
图2描述的是作为频率函数的电流源开关的寄生阻抗Z的模数的变化。由于在寄生阻抗Z中，来自电流源的电流将会转向并且没有完全流经负载电阻R，这样一来，该阻抗将会损害到数模转换的线性度，因此，这个寄生阻抗Z是非常有害的。
在图1的图示中，当寄生阻抗是电阻类型的时候，该组抗相当于并行放置了K个开关电流源的基区宽度调制电阻。
这可以显示为：
Vout＝(Z.VCC)/(R+Z)-R.Z/(R+Z)Iout           等式1
其中Iout是K个开关电流源依照所要转换的数字值K而切换的电流的总量。
每一个电流源都输出一个电流I0，由此可以给出：
Iout＝K.I0                                  等式2
对于指定的K来说，作为电流Iout的变化ΔIout的函数，电压Vout的变化ΔVout用绝对值的形式写成：
ΔVout＝R.Z/(R+Z)Δ1out                     等式3
转换非线性度来自R.Z/(R+Z)项，它的值是作为阻抗Z的函数而变化的，而阻抗Z的值则是所要转换的值K的一个函数。这是因为，在同时切换若干个电流源的时候，阻抗Z是通过并行放置电流源的K个寄生阻抗Zu而产生的。由此给出的是：
Z＝Zu/K然后可以将等式3写为：
ΔVout＝K.I0.R.[1/(1+αK)]                  等式4
其中α＝R/Zu(R＜Zu)
[1/(1+α.K)]的受限一阶展开等于(1-α.K)，由此等式4变成：
ΔVout≈R.(I0.K-α.I0.K2)                   等式5
等式5显示引起转换的非线性度产生的K2项的存在。
图3描述的是依照本发明而对使用开关电流源的数模转换器的非线性度进行校正的概述图示。
本发明的原理是在数模转换器的输出端Vout重新注入一个校正电流Icor＝α.I0.K2，以便补偿寄生阻抗Z中的漏泄电流。首先，这个校正电流Icor是通过放大级301而在数模转换器输出端获取电位Vout的一部分变化而产生的。接下来，在考虑到等式5，(I0.K)＞＞(α.I0.K2)的情况下，通过用一个模拟乘法器302来求取这个信号的平方，产生一个主要包含一个与K2成比例的信号分量的输出量。常数值系数α.I0则是通过调整放大级增益而被调整的。因此，通过将校正电流Icor添加到转换器的输出电流中来补偿寄生阻抗Z中的漏泄电流。这样一来，负载电阻R具有一个流经其本身的值为(I0.K)的电流，由此确保了数模转换的线性度。
在模拟输出量Vout1降低的时候，在输出负载中将会输出更多的电流源。因此，阻抗Z是通过并行放置大量基区宽度调制电阻Zu产生的，这会导致阻抗Z的值减小。因此，数值较高的电流Icor是补偿阻抗Z中的漏泄电流所必需的。
与此相反，在模拟输出量Vout1增大的时候，在输出负载中会输出较少的电流源。因此，阻抗Z是通过并行放置数量较少的基区宽度调制电阻Zu产生的，这会导致阻抗值Z增大。因此，数值较低的电流Icor是补偿阻抗Z中的漏泄电流所必需的。
图4描述的是一个通过使用数量为Smax的开关电流源将二进制输入字K转换成模拟输出量Vout1(以及Vout2)的已知测温计式数模转换器的图示。
这个转换器包括一个将二进制字K变换成输出信号Uc、从而对电流源I0的闭合进行控制的解码模块DEC。特别地，数值为K的二进制字将会转换成一个输出信号Uc，其中所述信号的前K个比特处于高电平，其他的(Smax-K)个比特则处于低电平。
这个转换器包含了很多受控于输出信号Uc的、数量等于Smax的开关SWi。这些开关的每一个都递送了一个处于输出负载Rload1(以及Rload2)中的数值为10的电流。在考虑到寄生阻抗Z1(或Z2)的情况下，输出量Vout1是用等式5描述的。
应该指出的是，对于二进制字K来说，如果不考虑寄生阻抗Z2是源自(Smax-K)个电流源的切换，那么输出负载Rload2就有流经其本身的(Smax-K)个电流源，因此，输出Vout2是输出Vout1的互补输出。
图5中显示了这个数模转换器的等价图示。
图6描述的是一个依照本发明而对图4和图5所示的数模转换器的非线性度进行校正的实施例。
该实施例包括一个用于获取输出信号Vout1中的一部分Udiff的差分放大级AMP。有利的是，为了提高共模抑制率，这个信号部分是借助了放大级AMP并通过去除信号Vout1与信号Vout2之间的一部分差值来得到的。这个放大级与一个差分对相对应，其中该差分对包括晶体管T1和T2、集电极电阻RC、发射极电阻RE以及两个电流源S1和S2。晶体管T1和T2分别在其基极接收信号Vout1和Vout2。所去除的信号部分Udiff是依照比值RC/RE来调整的。信号Udiff在晶体管T1和T2的集电极都是可用的。
这个实施例还包括一个用GIL表示的、基于本领域技术人员已知的差分结构的吉尔伯特单元。该结构包括晶体管T3-T4-T5-T6-T7-T8、线性电阻器R1-R2-R3-R4-R5-R6、偏置电流源S3以及对晶体管T7-T8进行偏置并实施输入电压Udiff下偏移的偏置电压源VP1-VP2。这个吉尔伯特单元接收信号Udiff，以便求取后者的平方，从而递送校正电流Icor。
在考虑到等式5的情况下，校正电流Icor的变化包括一个主要与ΔVout2成比例的分量，此外，校正电流Icor中的变化还与K2成比例。而校正电流Icor则是在晶体管T6的集电极产生的，所述集电极是用来与数模转换器的输出端Vout1相连。
由此可以确保数模转换器输出Vout1的线性度。
图7描述的是一个依照本发明而对图4和图5所示的数模转换器的非线性度进行校正的特殊实施例。
这个转换器重复了图6描述的实施例的特征，除了差分放大级包括一个放置在晶体管T1-T2的发射极之间的附加电容C。
这个电容器部署在差分级输出端，它允许改变该级的频率增益，以便在频率提升的时候补偿寄生阻抗的降低。这个校正补偿的是与构成开关的部件之间的寄生结电容以及互连电容相关的效应。因此对于高频，在转换器输出端注入幅度更大的校正电流Icor。
本发明还涉及一种包含了具有上述特征的数模转换器的集成电路，其中。
非常有利的是，此类转换器可以用在移动电话基站中，以便转换成经由发射机传送到便携电话的模拟数字数据。特别地，所传送的这种数据可以是音频、视频或图像。
在这里只对输出Vout1的线性校正进行了描述。然而以类似的方式中，在不脱离本发明的范围的情况下，也可以对互补输出Vout2执行相同的校正。
本发明描述了使用吉尔伯特单元来产生输入信号平方函数。但是，本发明并不仅仅局限于这种单元，在不脱离本发明的范围的情况下，其他那些用于求取信号平方的电路也是可以使用的。

Claims (5)

1.一种用于将数字值转换成模拟量的数模转换器，所述转换器包括作为所述数字值的函数来进行切换的电流源，以便产生一个反映所述模拟量的值的输出电流，所述转换器包含了用于产生一个添加到所述输出电流的校正电流的发生装置，所述校正电流包括一个与所述输出电流平方成比例的分量。
2.如权利要求1所述的转换器，还包括一个位于所述发生装置上游的差分放大级，所述衰减级将一个与所述模拟量成比例的输出信号传递到所述发生装置。
3.如权利要求2所述的转换器，其中，所述差分放大级包括一个电容部件，用于增大一个作为频率函数的放大因子。
4.如权利要求1～3中任何一个权利要求所述的转换器，其中，所述发生装置包括一个用于产生所述校正电流的吉尔伯特单元。
5.一种集成电路，其中包含了用于将数字值转换成模拟量的数模转换器，所述转换器包括作为所述数字值的函数而进行切换的电流源，以便产生一个反映所述模拟量的值的输出电流，所述转换器包含用于产生一个添加到所述输出电流的校正电流的发生装置，所述校正电流包括一个与所述输出电流的平方成比例的分量。
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